Die Aktionspotenzialbildung in den Schrittmacherzellen läuft im Wesentlichen wie beim Arbeitsmyokard ab. Auch hier beruht die Erregungsbildung auf wechselnde Ionenströme, die zeitlich koordiniert sind.

Anders als beim Arbeitsmyokard, ist jedoch das Ruhepotenzial der Schrittmacherzellen sehr instabil und nicht so negativ. Durch eine bessere Durchlässigkeit für positiv geladene Ionen, kommt es an der Schrittmacherzelle zur spontanen diastolischen Depolarisierung: Die Zelle erregt sich also während der Diastole selbst. Dies kommt dadurch zustande, dass sich während der Repolarisation des Herzens, also während der Diastole, spezielle Ionen-Kanäle an den Schrittmacherzellen, sogenannte „funny channels“ öffnen. Sie sind durchlässig für K⁺- und Na⁺-Ionen, lassen aber vor allem Na⁺-Ionen in die Schrittmacherzelle strömen und leiten dadurch die spontane diastolische Depolarisierung ein. Überschreitet diese Depolarisierung den Schwellenwert von – 40 mV, kommt es zum Ca²⁺-Einstrom, der zu einem schnellen Aufstrich des Membranpotenzials führt. Während der Repolarisation nimmt die K⁺-Leitfähigkeit schnell wieder ab, weshalb das Aktionspotenzial an der Schrittmacherzelle kürzer ist als beim Arbeitsmyokard. Sowohl der Sympathikus als auch der Parasympathikus können auf diese Prozesse Einfluss nehmen und somit die Herzfrequenz beeinflussen.

Allerdings läuft die Aktionspotenzialbildung und -rückbildung in den verschiedenen Schrittmacherzentren unterschiedlich schnell ab. Der Sinusknoten bildet ein deutlich steileres und schnelleres Aktionspotenzial als der nachgeschaltete AV-Knoten. Dadurch ist der Sinus­knoten in der Lage, mehr Aktionspotenziale pro Minute zu bilden und dominiert als primärer Schrittmacher das Erregungsleitungssystem. Zusätzlich verzögert der AV-Knoten die Erregungsleitung, damit zunächst die Vorhöfe und dann erst die Ventrikel erregt werden. Die Aktionspotenziale der weiteren Schrittmacherzentren (His-Bündel bis Purkinje-Fasern) sind schließlich ähnlich lang wie die des Arbeitsmyokards (Abbildung).